Escutando Very Low Frequency

Aqui descrevo a evolução do meu equipamento e as experiências para ouvir Rugby, Inglaterra.

Comecei a gostar de Very Low Frequency (ou VLF) na segunda metade da década de 60, em minha plena juventude, quando li  artigos  na revista americana  “Popular Electronics” que descreviam esta banda, usada para a rádio navegação de navios, comunicação com submarinos e  também despertava o  interesse porque nela ouvia-se curiosos ruídos provocados pela atividade elétrica na atmosfera do nosso planeta.

POR VLF SERIA ENVIADO O SINAL PARA A GUERRA. 

Então, estávamos em plena época da “Guerra Fria” e o que mais se ouvia falar era sobre a utilização  das VLF num conflito nuclear.

A Very Low Frequency ou VLF é a banda de freqüências compreendidas entre 30 khz e 3 khz, os quais correspondem  comprimentos de onda muito longos, desde 10 a 100 km(!). Elas se propagam a longas distâncias, têm o poder de penetrar mais de 10 metros na água salgada do mar e por isso era usada na comunicação da base com  os submarinos. Bastavam estes estenderem uma antena embaixo d’agua, não precisando  correr o risco de  vir a tona para receberem os sinais.

As emissões militares em VLF eram todas em RTTY, a desvantagem é que, devido o comprimento de onda muito longa, requer que as transmissões sejam lentas a razão de 5 bauds (ou 7.1 palavras por minuto). Assim, uma curta mensagem secreta poderia levar vários minutos para ser  transmitida.

A ordem para um ataque de guerra, seria mandado por VLF, pois esse tipo de comunicação era imune as alterações na ionosfera após as explosões nucleares. Caso, as torres de transmissão dos sinais já tivessem sido destruídas, estava previsto que, balões secretamente localizados, fossem rapidamente lançados que estenderiam na vertical uma comprida antena  responsável em  retransmitir  sinais  para o contra-ataque dos submarinos. Também, grandes  aviões de comando militar, tipo “Jumbo”,  soltariam  pela  extremidade da cauda, uma quilométrica  antena de VLF para mandar a ordem para os submarinos fazerem a retaliação final.

Os submarinos carregados de mísseis, lá nas profundezas oceânicas precisavam também determinar suas posições através da radionavegação Ômega (ver mais adiante) que operavam  dentro das Very Low Frequency. Somente com coordenadas precisas, a tripulação do submarino poderia  lançar corretamente o míssil no alvo e a Ômega permitia que isso fosse feito com um erro máximo de uns 200 metros.

Em fim, tudo estava preparado para porém  fim a este mundo e a ordem viria por VLF!

A RADIONAVEGAÇÃO ÔMEGA.

O principio básico da radionavegação Ômega, consiste na medição do tempo de chegada dos sinais de rádio emitidas por três estações diferentes, até o local onde se quer levantar as coordenadas geográficas. Tudo é feito com a precisão de relógios atômicos.

A Ômega é uma evolução dos sistemas de radionavegação hiperbólicas tipo Shoran e Loran, entre outros, que começaram a serem desenvolvidos desde o inicio da Segunda Guerra Mundial.

As primeiras estações Ômega entraram em operação a partir do final da década de 60 e a sua banda de emissão, está compreendida entre 10.2 e 13.6 khz. Devido o seu longo alcance, bastam  8 estações para cobrirem todo o planeta.

As emissões consistem em sinais relativamente longos de CW (Continuos Wave), cujos comprimentos padronizados, variam de acordo com o instante da transmissão, mas na média sua duração fica em torno de um segundo. Feito a emissão, a estação muda de freqüência e lá, novamente, emite um sinal, mas agora de comprimento diferente. Esse ciclo de emissões dura 10 segundos, quando ela volta para a primeira freqüência e todo o ciclo da  rotina é repetida.

Só para se ter uma idéia, as estações Ômega além de possuírem uma antena de proporções gigantescas, suas  bobinas atingem a altura de 12 metros!

A estação mais próximo do Brasil está localizada em Golfo Nuevo, perto da cidade de  Puerto Madryn na Patagônia argentina. Um lugar frio habitado por pingüins e lobos marinhos. As outras emissões estão na Libéria, Aldra na Noruega, Tsu-Shima no Japão, USA, Ilhas Maurício, etc.

Aqui no Brasil, um dos usos mais comuns desse sistema de orientação, está nas sondas meteorológicas, (aqueles balões lançados diariamente para enviar dados para a previsão do tempo) que têm no seu interior um micro receptor para as estações Ômega, e que ajuda os técnicos a identificar a posição exata de onde ela se encontra a cada momento.

A PRIMEIRA ESCUTA FOI DOS RUÍDOS ELÉTRICOS DO PLANETA.

Quando encorajei-me em escutar as VLF, devido a facilidade inicial, a primeira tentativa recaiu sobre os ruídos gerados pelo nosso planeta. Naquela época eu  vivia  em Angatuba-SP, uma pequena  cidade do interior, onde tinha disponível uma antena comprida estendida num amplo quintal, livre de ruídos e interferências.

Numa tarde quente de verão, peguei emprestado o amplificador, da guitarra elétrica (que ainda usava válvulas),  de meu irmão e procurei a entrada de alta impedância (para os antigos microfones de cristal) e ali simplesmente liguei minha antena. O chassis foi conectado a um bom fio terra.

O resultado foi surpreendente. Havia pouca interferência dos 60 hz da linha de força de 110 volts, mas captava sons de estática que pareciam muitos “tics”, semelhante quando jogamos, alguns grãos de arroz secos em uma panela de alumínio.

Aqueles ruídos eram os mesmos produzidos pelas linhas telefônicas da época, quando da aproximação de tempestades! Quero dizer, que eu já tinha ouvido VLF primeiramente no aparelho telefônico, mas então, não sabia do que se tratava.

Procurei prestar bem atenção nos ruídos para ver se identificava algum dos sons diferentes produzido pelo nosso planeta, para ver se eram iguais a aqueles descritos na revista “Popular Electronics” (que insistia em chamava-los de “Sons da Mãe Natureza”). Os tics da estática, bateram! Eram  provocados por raios em tempestades que estavam até longas distancias, vindos de quase todo o planeta Terra. Mas podia ouvir, vez ou outra um som que mais parecia um “Tiuuu”. Que segundo a revista chamavam-se whistlers(assobios) e que fascinavam os cientistas daquela época, pois tratava-se de uma nova forma de propagação de ondas, seguindo o campo magnético da terra (magnetosfera). Esse ruído vinha de descargas elétricas de raios que ocorriam naquele instante no hemisfério norte. As ondas eletromagnéticas subiam, atravessavam a ionosfera(!) e bem após, numa curva descendente, sempre acompanhando as linhas de força do campo magnético, até chegarem ao hemisfério sul. As freqüências mais altas propagavam mais rápido que as outras e era isso produzia aqueles assobios. Realmente, era muito interessante tudo aquilo que captava pela primeira vez e de uma forma tão simples.

UMA SOLUÇÃO SIMPLES, A CONSTRUÇÃO DE UM CONVERSOR.

Passados os anos, já em 1979, eu  residia no 18º andar de um prédio de apartamentos no centro da cidade de São Paulo, quando novamente voltei a atenção, agora para escutar os transmissores que operavam em VLF. Eles não emitem em audio freqüências como se faz imaginar devido a freqüência ser tão baixa, mas são ondas eletromagnéticas. E para ouvi-los é necessário possuir um rádio-receptor.

O meu rádio naquela época só podia sintonizar até a  freqüência mais baixa de 200 khz. Precisava então estender esse alcance para  poder chegar até as VLF. Para isso, escolhi por construir  um conversor. Era a forma mais simples de evitar problemas com a construção de um receptor completo especialmente para essa banda.

Conversor, é um dispositivo que transforma uma banda de freqüências impossíveis de serem captadas pelo nosso rádio em outra que possa ser facilmente sintonizada, e amplia de uma forma simples a capacidade de recepção do aparelho. Um exemplo; antigamente os rádio amadores faziam conversores de 2 metros, para poderem escutar seus colegas na banda dos 10 metros.

O meu conversor consistia  em três partes básicas:

1. Pré amplificador de alta impedância e entrada e baixo ruído.

2. Oscilador local que operava em 8 mhz.

3. Misturador.

 

Os “truques” usados no projeto, foram: O conversor ficava dentro de uma caixa de alumínio bem fechada (blindagem eletrostática) e o sinal fraco captado pela antena não sofria qualquer amplificação, antes que passasse por um circuito ressonante em paralelo para sofrer uma seleção inicial, eliminando boa parte das diversas interferências comuns nas cidades grandes (como o provocado pelas poderosas estações de FM e o ruído de funcionamento de televisores) e ajudaria também na separação dos sinais recebidos das estações Ômega, pois algumas transmitem a menos de 1 khz uma da outra.

Para tanto, precisei construir duas bobinas de boa qualidade para os circuitos de sintonia e a escolha do núcleo recaiu sobre os chamados  “trim pot” de ferrite. Eles eram caixinhas pretas, arredondadas, feitas de ferrite e no seu interior era posto um núcleo de plástico com o enrolamento.  Com poucas perdas, o campo magnético, fica retido ali dentro, concentrado necessitando menos voltas de fio e obtendo-se bobinas de alta qualidade (alto Q) que melhoram a  seletividade dos circuitos ressonantes em paralelo.

Outra dificuldade, foi o de encontrar  capacitores variáveis de grande capacitância que iriam trabalhar  em paralelo com as bobinas. Sabe-se pela teoria que a medida que baixa a freqüência de ressonância, cresce geometricamente a necessidade de componente com valores maiores. Felizmente encontrei em lojas de sucata, capacitores antigos que tinham 3 seções, cada uma com 410 pf e que foram conectadas por fio soldado, uma na outra para trabalharem em paralelo e chegar a uma capacitância máxima de uns 1200 pf. O que ainda era pouco!

Passados estes obstáculos, a construção do conversor foi rápida.

 

USEI UMA  “ACTIVE ANTENNA” EM VLF!

Como instalar uma antena de VLF em um prédio de apartamentos? Para mim era uma difícil resposta, tratava-se de ondas de 23 km! (na radionavegação Ômega). Os livros afirmavam que ela tinha que ser muito comprida com  dezenas ou centenas de metros. Mas, tive sorte, numa revista de náutica encontrei a foto de um navio de guerra em que aparecia  com sua  antena vertical para receber VLF. A altura não ultrapassava os 4 metros de comprimento. Pensei a respeito e concluí que somente podia tratar-se de uma antena de alta impedância, semelhante com aquela usada por alguns rádio escutas de ondas curtas onde são mais conhecidas como “Active Antenna”. Como tinha disponível em casa  um tubo de alumínio com apenas 1,70 metros de comprimento por 1cm de diâmetro, daqueles de antenas de TV, tentei usa-lo em VLF a fim de um teste.  Pus o tubo para fora da janela e ele ficou preso na horizontal numa posição perpendicular a parede do prédio, atado a um suporte isolante de madeira. A dúvida era se bastaria  esta antena tão pequena, relativamente ao  comprimento de onda. Ela seria suficiente para captar sinais de VLF? Só mesmo  testando.

Como garantia de um ganho extra, após a antena havia no conversor um estágio pré amplificador bem elaborado que usava transistor Mosfet, de baixo ruído e alta impedância de entrada.

 

Cx = capacitor de disco. Mostrou-se bastante critico porém funcionou com valores entre 7 e 10 pf

L1=Bobina de alto Q, enrolada no interior de um “trim pot” de ferrite.

C1=Capacitor variável com três seções ligadas em paralelo. Cada seção tinha uns 410 pf totalizando cerca de 1230 pf.

O PRIMEIRO TESTE COM O CONVERSOR.

Liguei a saída de 8 mhz da Freqüência Intermediária do conversor,  na entrada de antena de um antigo receptor o BC-348R (do tempo da Segunda Guerra Mundial).

Toda sintonia da freqüência de  escuta da VLF era então determinada no dial do receptor e não no conversor. Por exemplo, 8000khz correspondia a freqüência 0 khz. Se o receptor estivesse  sintonizado em 8100 khz significava que o conversor estava recebendo 100 khz (8100 menos os 8000 (freqüência do oscilador local) = 100 khz)

Como as VLF estão abaixo de 30 khz eu ficava no receptor apenas sintonizando no curto intervalo entre 8010 e 8030 khz o que corresponderia ao trecho mais interessante da recepção dos sinais de VLF, entre 10 e 30 khz! A cada freqüência recebida era necessário ajustar separadamente  cada um dos dois capacitores variáveis  do pré-amplificador do conversor para o pico de ganho. Isso correspondia a um aumento do ruído, mas então eu sabia que alcançava a máxima sensibilidade possível  da recepção. Era dessa forma simples que  funcionava do conversor.

Sem aparelhos eletrônicos de laboratório a disposição, eu tinha apenas  duas  referências sobre VLF:

1. O oscilador horizontal do receptor de TV operava em 15,75 khz e poderia ser usado como um gerador de sinal.

2. Eu já tinha ouvido  aqueles  “tics” da estática que bem caracterizavam essa banda.

Para o primeiro teste, tentei inicialmente captar a freqüência de 15,75 khz correspondente ao oscilador  horizontal do televisor e  consegui sintoniza-lo nos  capacitores variáveis do pré- amplificador do conversor. Desliguei a TV, e observei a diferença que fazia estar com ou sem a presença do sinal desse oscilador . Após, já comecei a ouvir aqueles “Tics” muito  agudos que já tinha ouvido antigamente lá no interior do Estado, e correspondiam a estática do nosso planeta. Porém, com uma certa dificuldade, pois quase ultrapassavam a capacidade auditiva devido já estarem próximo aos 16 khz (quase um ultra som).

Não passei muito tempo fazendo testes para notar, que quase desapercebidos no meio de toda aquela estática haviam uns apitos alternados e extremamente agudos. Eles pareciam mais compridos do que sinais telegráficos. Liguei o BFO do receptor (botão para a recepção de telegrafia) e de imediato, clarificaram aqueles apitos que se tornaram graves, bem mais audíveis, o suficiente para poder  identifica-los como sinais produzidos pelo Homem e provavelmente usados na radionavegação Ômega. Muito interessantes.

Com o passar dos dias, a situação ficou bem mais sob controle, iniciei testes a fim de melhorar a recepção. Comprovei que aquela pequena “Active Antenna” que em ondas curtas (no meu ponto de vista) tinha um desempenho medíocre, aqui nestas  baixas freqüências, mostrava todo seu potencial, captando   bem aqueles sinais mais fracos. Fiz tentativas para traze-la para operar dentro de casa, a fim de não chamar atenção ou incomodar vizinhos, e os resultados foram todos negativos. Essa antena é sensível apenas ao campo elétrico da onda e a medida que recolhia a antena  o sinal rapidamente perdia  intensidade e sumia. As paredes formavam um shield que impedia a entrada dos sinais!

A RECEPÇÃO DOS SINAIS HORÁRIOS DE RUGBY, INGLATERRA.

Os apitos do Ômega me fascinaram, pois era algo de muito diferente do que se ouvia em ondas curtas, era um sinal de intensidade constante durante dia e noite, talvez mais parecia como o som emitido por uma baleia, algo que tinha que ver com as profundezas oceânicas. Impressionante!

Porém, no  livro WRTH onde estão anotados os dados de todas as  estações de rádio do mundo e que têm o interesse dos rádio escutas, nas páginas dedicadas as estações que emitem sinais horários, ali encontrei a “RGB” de Rugby, cidade localizada na região central da Inglaterra. Essa estação  começou a operar em 1926 e foi a primeira a emitir sinais horários. Quando ela foi ao ar pela primeira vez , informava que era que era a mais poderosa do mundo!

Agora, ela transmitia sinais horários  por apenas 5 minutos na freqüência de 16 khz, com a potência de  60kw.  Eles eram emitidos em  períodos intervalados de 6 horas, que aqui (horário de Brasilia), correspondiam a nossa meia noite, seis horas da manhã, meio dia, dezoito horas e novamente as vinte e quatro horas, quando todo o ciclo se repetia.

Sem qualquer esperança de poder sintoniza-los devido a distância, parti para essa aventura apenas impulsionado pelo desafio daquele DX e  novamente usei como referência o sinal de 15,75 khz do oscilador horizontal do aparelho de TV. Fracassou a primeira tentativa de ouvir Rugby, pois já era meio dia, em plena época de verão, quando estava bastante acentuada a interferência provocada por tempestades distantes. Deixei então tudo preparado para um novo teste as seis horas do dia seguinte quando esperava encontrar menos ruídos.

Naquela manhã quase não havia estática, quando comecei a escutar os sinais horários de Rugby! Dei um retoque nos capacitores variáveis do pré amplificador do conversor e ali estavam aqueles sinais, fracos, porém perfeitamente audíveis. Aprovei para girar o botão do BFO na procura de obter o melhor tom de audio. Após os 5 minutos de emissão terminou com uma identificação telegráfica RGB, RGB, RGB. Essa escuta tornou-se motivo de uma rara satisfação para mim, algo que só o nosso hobby de  radioescuta pode proporcionar. Recordaria disso pelo resto de minha  vida.

Soube, que bem antes de mim, os técnicos do Instituto Astronômico de São Paulo (IAG), já tinham usado um receptor profissional para sintonizar em VLF a estação norteamericana de sinais horários WWV a fim de  aferir seus relógios. Isso ocorreu, até o término das transmissões desta emissora nesta banda, por volta  do inicio da década de 60.

Continuei escutando Rugby durante meses, mas nunca foi possível ouvi-la no intervalo de emissões do final da tarde (17:55- 18:00 h) quando imperava o ruído atmosférico. Fiz vários filtros de audio, na tentativa separar os sinais horários misturados naquela estática. Tudo foi em vão. Nas outras emissões, sempre conseguia copiar  Rugby.

EVOLUÇÃO. A CONSTRUÇÃO DE UMA ANTENA DE FERRITE.

Em 82 precisei mudar de residência e fui para um local onde a “active antenna” somente captava  interferências provocadas por televisores. Passei então, anos sem escutar VLF. Mas, com o tempo aumentava a vontade de rever aqueles sinais. A única possibilidade seria o do uso de uma antena mais imune a ruídos, como aquelas feitas com bastão de ferrite. Elas funcionariam nestas freqüências? Como construi-la?  Iria precisar de um enrolamento com umas duas mil voltas e capacitores variáveis bem maiores do que aqueles que dispunha, para compensar a pouca indutância desta bobina. Para minhas condições, seria impraticável.

Novamente aventurei-me. Construí uma antena de ferrite com bem menos voltas, umas 500, de fio esmaltado bem fino e com o uso de capacitores cerâmicos (não variáveis) em paralelo, que totalizaram uns 6200 pf! Para tudo funcionar a contento, tive que usar dois “truques”:

1.Para ajustar a ressonância entre 10.2-13.6 khz (correspondente a radionavegação Ômega), sem o uso de capacitores variáveis, eu aproximava uma placa de alumínio ao ferrite, a fim de  diminuir a indutância da antena até chegar no pico da freqüência desejada.

2.Usei uma grossa blindagem de alumínio em forma de U que cobria em três lados a antena para eliminar a captação de interferencias parasitas. Isto mostrou-se ser essencial. Um dos lados ficava aberto para não por em curto o campo magnético do ferrite.

O resultado foi excelente, aquela minúscula antena substituía o antigo tubo de alumínio, tinha a vantagem de ser compacta, de poder ficar dentro de casa e ser sensível apenas ao campo magnético, diminuindo bastante o ruído vindo dos televisores.

A antena de ferrite é muito mais direcional em VLF do que em Ondas Médias, devido a presença única da onda de terra e isso possibilitou  identificar  que uma das estações Ômega era originaria da Argentina. Mas, no uso diário, o bastão de ferrite ficava voltado mais à anular as fontes de interferências elétricas.

UM RECEPTOR COMPLETO DE VLF COM A FI OPERANDO EM  800 HERTZ.

A nova antena, fez com que eu voltasse as novas experiências de recepção da radionavegação Ômega. Agora já sentia mais confiança, tinha adquirido prática e conhecimentos. Fiquei sabendo, que os receptores profissionais de VLF usavam Filtros Mecânicos nas Freqüências Intermediárias (FI) operando abaixo de 100 hz(!) para obterem uma super-seletividade e escapar daquela estática. Graças a isso, conseguiam copiar sinais limpos, a qualquer hora do dia, livres de interferências. Realmente tinham razão, pois quanto mais baixa  a Freqüência Intermediária, mais fácil se torna em obter seletividade.

Tentei então, construir um receptor completo para a recepção da Ômega no qual a FI deixava de ser os 8 mhz até então usados, para cair  aos 800 hertz! Tudo a fim de aumentar a seletividade e  dar um modesto “ar  profissional” a aquele receptor tão simples. O resultado foi surpreendente, a seletividade alcançada era muito aguda  e tudo foi feito a baixo custo. Para construir a FI, comprei em uma loja de sucata, velhas bobinas de 88 mh usadas pela companhia telefônica local.

O receptor consistia no seguinte; após a antena de ferrite tinha um estágio pré-amplificador, começando em um transistor tipo FET seguido por dois estágios amplificadores com transistores de silício, após passava pelo misturador (o oscilador local operava entre 11 e 20 khz) e daí saía a FI de 800 hz. Prosseguindo, a FI tinha estágios amplificadores com duas bobinas sintonizadas em 800 hz. Finalmente o sinal chegava  ao o amplificador de audio.

FINAL

O receptor, foi o último dos meus experimentos com VLF. Vez ou outra, volto a aquelas freqüências, apenas para algumas rápidas escutas e recordar os tempos das minhas aventuras de juventude. O interesse geral por esta banda diminuiu, porque tudo tem se transformado. Infelizmente, assim como eu, também envelheceram as transmissões da Radionavegação Ômega e já está previsto o fim de suas transmissões, para o raiar do próximo século. Ela foi  superada pela navegação por satélite (muito mais precisa) e as comunicações com submarinos já desceram para a banda de  ELF  Extemely Low Frequency (a marinha americana opera em 76 hertz (!)).

Agora, restam outros desafios, bem mais difíceis, como o de ouvir  ELF. Assim, espero que surjam novos radioescutas, que ousados no desafio de ouvir o desconhecido, venham sintonizar estas novas freqüências e possam contar-nos  de suas experiências!

Por Francisco Roldão de Morais Turelli (Outubro de 1998)